回首半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展歷程，從 70 多年前一顆小小的晶體管開始，到如今已經(jīng)以各種形式滲透與每個人的生活密不可分，其發(fā)展速度之快讓摩爾定律面臨失效，無論是以硅為基礎(chǔ)的半導(dǎo)體材料，還是光刻機(jī)之類的半導(dǎo)體設(shè)備，還是存儲芯片的容量大小，幾乎都面臨急需攻克的難題與瓶頸。
回望 2020 年，一些瓶頸正悄悄找到出口，8 個關(guān)鍵詞得以詮釋這一年來半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展。
一、國產(chǎn)替代
在中美關(guān)系緊張的環(huán)境下，今年中國半導(dǎo)體市場異?；馃帷?shù)據(jù)顯示，截止 2020 年 12 月，我國今年新增超過 6 萬家芯片相關(guān)企業(yè)，較去年同比增長 22.39%。目前全國約有 24.4 萬家芯片相關(guān)企業(yè)，超 2 萬家芯片相關(guān)企業(yè)擁有專利。
這是環(huán)境和政策雙重作用下的結(jié)果，尤為明顯的是，在科創(chuàng)板一周年之時(shí)，市值排名前十的公司中，就有包括中芯國際、滬硅產(chǎn)業(yè)、中微公司、瀾起科技和寒武紀(jì)在內(nèi)的 5 家公司屬于半導(dǎo)體領(lǐng)域。
在解決人才短缺問題上，也有一些新動作：將集成電路學(xué)科設(shè)置為一級學(xué)科，讓本科畢業(yè)生帶 “芯”畢業(yè)的 “一生一芯”計(jì)劃項(xiàng)目，成立南京集成電路大學(xué)，無一不是為國產(chǎn)替代做準(zhǔn)備。
也有行業(yè)專家參與到 “國產(chǎn)替代”的討論，清華大學(xué)微電子研究所所長魏少軍認(rèn)為，芯片全面國產(chǎn)替代指日可待是口號型的發(fā)展，會讓政府遭遇很大的壓力。華潤微電子代工事業(yè)群總經(jīng)理蘇巍指出，“當(dāng)下國產(chǎn)芯片自給自足率不足三成，中國整個半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展明顯有短板和不足，但是在功率半導(dǎo)體領(lǐng)域，我們看到它率先進(jìn)行突圍，與國際一流技術(shù)水平差距在縮小。”
二、黃氏定律
在 12 月份的英偉達(dá) 2020 GTC China 大會上，英偉達(dá)首席科學(xué)家兼研究院副總裁 Bill Dally 在演講中稱，如果我們真想提高計(jì)算機(jī)性能，黃氏定律就是一項(xiàng)重要指標(biāo)，且在可預(yù)見的未來都將一直適用。這是 “黃氏定律”這一命名首次被英偉達(dá)官方認(rèn)可。
黃氏定律具體是指英偉達(dá)創(chuàng)始人黃仁勛對 AI 性能的提升做出的預(yù)測，GPU 將推動 AI 性能實(shí)現(xiàn)逐年翻倍。大會上，Bill Dally 用三個項(xiàng)目說明黃氏定律實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵，包括實(shí)現(xiàn)超高能效加速器的 MAGNet 工具、以更快速的光鏈路取代現(xiàn)有系統(tǒng)內(nèi)的電氣鏈路、全新編程系統(tǒng)原型 Legate。
幾十年前，英特爾創(chuàng)始人之一戈登 · 摩爾提出了著名的摩爾定律，從經(jīng)濟(jì)學(xué)的角度成功預(yù)測幾十年來集成電路的發(fā)展趨勢，即每 18 個月晶體管數(shù)目和性能提升一倍。當(dāng)下，英偉達(dá)作為當(dāng)下炙手可熱的 AI 芯片公司，其黃氏定律有望引領(lǐng)未來幾十年芯片行業(yè)的發(fā)展。
三、寬禁帶半導(dǎo)體
寬禁帶半導(dǎo)體即第三代半導(dǎo)體材料，包括碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)、氧化鋅(ZnO)、金剛石(C)、氮化鋁(AlN)等新興材料，最初其研究與開發(fā)主要用于滿足軍事和國防需求。寬禁帶半導(dǎo)體的帶隙大于硅半導(dǎo)體的 2.2e，能夠有效減小電子跨越的鴻溝，減少能源損耗，因此多應(yīng)有于節(jié)能領(lǐng)域，主要是功率器件。今年年初小米推出氮化鎵快充就是寬禁帶半導(dǎo)體的典型用例。
要讓寬禁帶半導(dǎo)體取代硅基，需要克服成本瓶頸，碳化硅和氮化鎵襯底成本過高，使得器件成本高于傳統(tǒng)硅基的 5 到 10 倍，是阻礙寬禁帶半導(dǎo)體普及的主要原因。不過，在技術(shù)和工藝的提升下，成本已接近硅基器件。
今年，在各省份的 “十四五”規(guī)劃建議稿中，紛紛提及加快布局第三代半導(dǎo)體等產(chǎn)業(yè)。寬禁帶半導(dǎo)體成為 2020 年乃至往后幾年里中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的重要發(fā)展方向之一。
四、8 英寸晶圓
晶圓缺貨是半導(dǎo)體行業(yè)常有的現(xiàn)象，但今年受疫情影響以及 5G 應(yīng)用需求增長，各個代工的 8 英寸晶圓廠產(chǎn)能爆滿，缺貨現(xiàn)象尤為嚴(yán)重。臺積電董事長黃崇仁曾在 11 月概括晶圓產(chǎn)能緊張現(xiàn)狀，稱目前晶圓產(chǎn)能已緊張到不可思議，客戶對產(chǎn)能的需求已達(dá)到恐慌程度，預(yù)計(jì)明年下半年到 2022 年下半年，邏輯、DRAM 市場都會缺貨到無法想象的地步。
模擬芯片和功率器件需求持續(xù)上漲，與本就現(xiàn)存不多的 8 英寸晶圓廠產(chǎn)線相擠壓，產(chǎn)能持續(xù)緊張，另一方面導(dǎo)致包括 MOSFET、驅(qū)動 IC、電源管理 IC 等其他需要在 8 英寸晶圓生產(chǎn)的芯片或器件的生產(chǎn)周期延長，市場價(jià)格紛紛上漲。
根據(jù) TrendForce 最新調(diào)查研究，預(yù)計(jì) 2020 年全球晶圓代工收入將同比增長 23.8%，為十年來最高，先進(jìn)節(jié)點(diǎn)和 8 英寸產(chǎn)能成為晶圓代工行業(yè)競爭力的關(guān)鍵。
五、云上 EDA
如果說 2019 年是云上 EDA 概念普及之年，那么 2020 年則是云上 EDA 探索落地之年，無論是 EDA 軟件商、IC 設(shè)計(jì)企業(yè)以及代工廠，都在實(shí)踐云上 EDA。
云上 EDA 是指在通過云的方式設(shè)計(jì)芯片，相比通過傳統(tǒng)的 EDA 工具設(shè)計(jì)芯片，EDA 云平臺優(yōu)點(diǎn)眾多，能夠適配 EDA 工具使用需求、擁有大規(guī)模算力自動化智能調(diào)度以及海量的云資源提供彈性算力支持，直接提升芯片的研發(fā)周期和良率，降低芯片設(shè)計(jì)成本。
全球三大 EDA 提供商之一新思科技目前已經(jīng)同臺積電共同部署云上設(shè)計(jì)和芯片制造平臺，幫助臺積電成為首家實(shí)現(xiàn)云設(shè)計(jì)代工廠;亞馬遜 AWS 收購以色列芯片制造商 Annapurna Labs 之后，其 Graviton 和 Inferentia 等芯片，從 RTL 到 GDSII 全都實(shí)現(xiàn)云上開發(fā)。國內(nèi)也有包括阿里云在內(nèi)的云公司提供 EDA 機(jī)型配置，平頭哥借助阿里云的全項(xiàng)目上云并結(jié)合服務(wù)器托管方案，設(shè)計(jì)上云實(shí)現(xiàn) 10% 到 50% 的性能提升。
SoC 設(shè)計(jì)流程，來源阿里云研究中心&新思科技
對于云上 EDA 的未來，新思科技中國副總經(jīng)理、芯片自動化事業(yè)部總經(jīng)理謝仲輝看好其發(fā)展，認(rèn)為芯片設(shè)計(jì)上云將引領(lǐng)芯片行業(yè)進(jìn)入新的良性循環(huán)，對于決心投入芯片的互聯(lián)網(wǎng)及系統(tǒng)公司而言是機(jī)遇，也會讓傳統(tǒng)芯片公司不再局限于芯片的性能和功耗，而是與用戶應(yīng)用場景緊密結(jié)合并提供更好的服務(wù)體驗(yàn)。
六、5nm
5G 落地之年，作為引擎的 5G 芯片固然不可缺席，在移動手機(jī)市場上，也迎來在 5nm 戰(zhàn)場上的新一波 5G 芯片之爭。自 2019 年底各大芯片廠首發(fā)自家的 5G 芯片之后，2020 年芯片廠商們更執(zhí)著于推出 7nm 以下先進(jìn)制程的 5G 芯片，且由外掛 5G 基帶升級到集成式 SoC。
蘋果首發(fā)了采用臺積電 5nm 工藝制程的 A14 Bionic，集成 118 億晶體管，但依然是用外掛高通驍龍 5G 基帶。此后華為發(fā)布麒麟 9000，成為世界上首個采用 5nm 制程的 5G 手機(jī) SoC，集成 153 億個晶體管。
之后，三星發(fā)布 Exyons 1080，采用自家的 5nm 工藝制程和自家的 5G 基帶，以集成式 SoC 的設(shè)計(jì)進(jìn)入旗艦行列，將在 ViVO 的新機(jī)上首發(fā)。
高通驍龍 888 是 2020 年最后一款 5nm 集成式 5G SoC，代號從 875 變 888 表達(dá)對中國 5G 市場重要性的認(rèn)可。驍龍 888 同樣采用三星 5nm 工藝制程，集成全球首款 5nm 5G 基帶驍龍 X60，能夠提供高達(dá) 7.5Gpbs 的 5G 商用網(wǎng)絡(luò)速度。
今年 5G 芯片的競爭尤為激烈，麒麟 9000 作為國產(chǎn)芯片的代表能夠與國際水平一較高下，不過可惜的是，受中美關(guān)系影響的華為，將無法參與下一場競爭。
七、3D 封裝
3D 封裝是一種立體封裝技術(shù)，在 X-Y 的二維封裝基礎(chǔ)之上向 z 軸延伸，也是為了突破摩爾定律瓶頸而誕生的一種新技術(shù)，在集成度、性能、功耗等方面有一定優(yōu)勢，設(shè)計(jì)自由度高，開發(fā)時(shí)間更短，也是各個芯片廠商爭相角逐的先進(jìn)封裝技術(shù)，在 2020 年競爭進(jìn)一步升級。
臺積電自 2018 年首度對外公布其系統(tǒng)整合單芯片多芯片 3D 堆疊技術(shù)，陸續(xù)推出 2.5D 高端封裝技術(shù) CoWoS 和扇出型晶圓技術(shù) InFo，搶占蘋果訂單。今年又針對先進(jìn)封裝打造晶圓級系統(tǒng)整合技術(shù)平臺(WLSI)，升級導(dǎo)線互連間距密度和系統(tǒng)尺寸，推出晶圓級封裝技術(shù)系統(tǒng)整合芯片(TSMC-SoIC)，能夠?qū)⑾冗M(jìn)的 SoC 與多階層、多功能芯片整合，實(shí)現(xiàn)高速、低功耗、體積小的 3D IC 產(chǎn)品。
英特爾也于 2 年前首次展示其名為 “Foveros”的 3D 封裝技術(shù)，在今年架構(gòu)日上公布新進(jìn)展，即 “混合鍵合”技術(shù)(Hybrid bonding)，以替代傳統(tǒng)的 “熱壓鍵合”技術(shù)，加速實(shí)現(xiàn) 10 微米及以下的凸點(diǎn)間距，提供更好的互連密度、帶寬和更低的功率。
三星在今年對外宣布了全新的芯片封裝技術(shù) X-Cube3D 已經(jīng)可以投入使用，允許多枚芯片堆疊封裝，三星稱其能讓芯片擁有更強(qiáng)大的性能和更高的能效比。
八、存算一體
在 AI 算法對算力需求增長的時(shí)代，馮諾依曼架構(gòu)帶來的 “內(nèi)存墻”問題愈發(fā)明顯，即其存儲與計(jì)算在物理上的分離，使得計(jì)算過程中需要不斷地通過總線交換數(shù)據(jù)，從內(nèi)存讀取數(shù)據(jù)到 CPU，計(jì)算后再寫回存儲。由于存儲速度遠(yuǎn)低于計(jì)算速度，大部分時(shí)間和功耗都消耗在總線傳輸上，最終導(dǎo)致傳統(tǒng)芯片算力難以跟上需求。
為解決 “內(nèi)存墻”問題，基于憶阻器的存算一體技術(shù)被提出，從器件研究到計(jì)算范式研究，直到今年取得新的進(jìn)展。
今年 2 月，清華大學(xué)微電子所、未來芯片技術(shù)精尖創(chuàng)新中心錢鶴、吳華強(qiáng)教授團(tuán)隊(duì)與合作者成功研發(fā)出一款基于多陣列憶阻器存算一體系統(tǒng)，以憶阻器替代經(jīng)典晶體管，打破馮諾依曼瓶頸，以更小的功耗和更低的硬件成本大幅提升計(jì)算設(shè)備的算力，成為第一款基于憶阻器的 CNN 存算一體芯片。
在 2020 第五屆全球人工智能與機(jī)器人峰會(CCF-GAIR 2020)上，清華大學(xué)副教授高濱演講時(shí)表示，存算一體芯片的下一步將是存算一體計(jì)算系統(tǒng)的搭建，在不改變現(xiàn)有編程語言的情況下，計(jì)算能效會有百倍到千倍的提升。
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